(57)【要約】  本発明は、複数の電池がマトリクス上に配列された電池モジュールにおいて、電池モジュールを構成する電池に異常が発生しても、異常を含む直列接続された電池群を確実に他の電池群から切り離すことができ、かつ、電池モジュール全体の性能低下を制御した、安全性の高い電池モジュールを提供することにある。  本発明では、ｍ個の素電池１０が直列接続された直列ブロック２０が、ｎ個並列配列され、隣接する素電池１０が、第１のヒューズリンク３０を介して並列接続され、直列ブロック２０の一端は、第２のヒューズリンク４０を介して入出力端子５０に接続されている。素電池１０の個数ｍと、直列ブロックの個数ｎは、式（１）及び（２）を満たす。  ｍ≦１／２［Ｖｃ／Ｒｃ・Ｉｆ１−Ｒｆ１／Ｒｃ＋３］・・・(１)  ｎ≧(Ｖｃ＋Ｉｆ２・Ｒｃ)／[Ｖｃ−(ｍ−１)Ｉｆ２・Ｒｃ]・・・(２)  ただし、Ｖｃ、Ｒｃは素電池１０の起電圧、内部抵抗、Ｒｆ１、Ｉｆ１は第１のヒューズリンク３０の抵抗、溶断電流、Ｉｆ２は第２のヒューズリンク４０の溶断電流である。
2012014350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素電池がマトリクス状に配列された電池モジュールであって、
ｍ個の素電池が列方向に直列に接続されて直列ブロックが構成され、
前記直列ブロックは、行方向にｎ個配列され、かつ、行方向に隣接する素電池は、それぞれ第１のヒューズリンクを介して並列に接続されており、
前記各直列ブロックの一端にある素電池は、第２のヒューズリンクを介して共通の入出力端子に接続されており、
列方向に配列された前記素電池の個数ｍと、行方向に配列された前記直列ブロックの個数ｎは、以下の式（１）及び（２）を満たす、電池モジュール。
【数１】
2012014350.tif 000012
【数２】
2012014350.tif 000013
ただし、Ｖｃは素電池の起電圧、Ｒｃは素電池の内部抵抗、Ｒｆ１は第１のヒューズリンクの抵抗、Ｉｆ１は第１のヒューズリンクの溶断電流、Ｉｆ２は第２のヒューズリンクの溶断電流である。
【請求項２】
前記ｍ個×ｎ個の素電池がマトリクス状に配列された電池ブロックが、列方向に複数個直列に接続されており、
前記入出力端子に接続された電池ブロックを除く他の電池ブロックにおいて、該電池ブロックの列方向一端にある各素電池は、前記第２のヒューズリンクを介して共通のブロック接続体に接続されている、請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項３】
列方向に配列された前記素電池の個数ｍと、行方向に配列された前記直列ブロックの個数ｎは、前記式（１）及び（２）の代わりに、以下の式（３）、（４）を満たす、請求項１に記載の電池モジュール。
【数３】
2012014350.tif 000014
【数４】
2012014350.tif 000015
ただし、ｍ≧１０、ｎ≧１０、Ｖｃは素電池の起電圧、Ｒｃは素電池の内部抵抗、Ｒｆ１は第１のヒューズリンクの抵抗、Ｉｆ１は第１のヒューズリンクの溶断電流、Ｉｆ２は第２のヒューズリンクの溶断電流である。
【請求項４】
前記第１のヒューズリンクの抵抗Ｒｆ１は、前記素電池の内部抵抗Ｒｃよりも大きい、請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項５】
行方向に配列された前記素電池は、第１の導電体によって並列接続され、かつ、該第１の導電体が前記第１のヒューズリンクを構成しており、
前記第１の導電体は、前記素電池に内部短絡が発生したとき、前記第１の導電体を介して、前記内部短絡が発生した素電池に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断される、請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項６】
列方向に配列された前記素電池は、列方向に隣接する素電池間が第２の導電体によってそれぞれ直列接続されており、
前記第１の導電体は、列方向に隣接する前記素電池間を接続する各第２の導電体に、それぞれ接続されている、請求項５に記載の電池モジュール。
【請求項７】
前記第１の導電体は、金属細線または金属リボンで構成されており、該金属細線または金属リボンは、ワイヤーボンディングにより、列方向に隣接する前記素電池間を接続する各第２の導電体に、それぞれ接続されている、請求項６に記載の電池モジュール。
【請求項８】
前記素電池は、リチウムイオン二次電池からなる、請求項１に記載の電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電池がマトリクス状に配列された電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の電池をケースに収容して、所定の電圧及び電流を出力できるようにした電池パックは、種々の機器、車両等の電源として広く使用されている。中でも、汎用的な電池（例えば、ノートパソコン等に搭載される円筒形の二次電池）を並列・直列接続して、所定の電圧及び電流を出力する組電池をモジュール化し、この電池モジュールを種々組み合わせることによって、多種多様な用途に対応可能とする技術が採用され始めている。このモジュール化技術は、電池モジュールに収容する電池を高性能化することによって、電池モジュール自身の小型・軽量化が図られるため、電池パックを組み立てる際の作業性が向上するとともに、車両等の限られた空間へ搭載する際の自由度が向上するなど、様々なメリットを有する。【０００３】
ところで、電池モジュールを構成する電池が、過充電や過放電、あるいは内部短絡や外部短絡により、電池としての機能を果たせなくなると、当該異常電池が抵抗体となり、電池モジュール全体の性能を大きく低下させてしまうおそれがある。【０００４】
このような問題に対して、特許文献１には、複数の単セルが直列に接続された直列セルユニットが複数並列に接続された組電池において、並列方向に隣接する単セル間に抵抗体が配設された構成が記載されている。このような構成にすることにより、単セルに内部短絡等の異常が発生した場合、当該単セルに流れ込む電流を、抵抗体によって低減することができる。【０００５】
しかしながら、このような構成では、異常セルを組電池から切り離すことができないため、組電池全体の性能低下を十分に抑制できないという問題がある。【０００６】
そこで、特許文献２には、複数の電池が直列に接続された直列電池群が、複数個並列に接続された組電池において、各直列電池群に並列に電流バイパス回路を接続するとともに、各直列電池群及び電流バイパス回路に直列にヒューズを接続した構成が記載されている。このような構成にすることにより、電池に異常が発生した場合、その異常を検出して、電流バイパス回路電池に大電流を流してヒューズを溶断することによって、異常電池を含む直列電池群を組電池から切り離すことができる。【０００７】
しかしながら、このような構成では、直列電池群毎に、異常電池を検出して作動する電流バイパス回路を設ける必要があり、部品点数が増大してしまうという問題がある。また、並列方向に隣接する電池間は並列接続されていないため、組電池を充電する際、直列電池群毎に充電バラツキが生じ、組電池全体の性能が低下するという問題がある。【０００８】
そこで、特許文献３には、複数の電池が接続体を介して並列に接続した集合電池において、各電池の正極、及び負極が、それぞれヒューズリンクによって接続体に接続された構成が記載されている。このような構成にすることにより、電池に異常が発生した場合、この電池に接続されたヒューズが過電流により溶断されることにより、異常電池を、他の電池から電気的に分離することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３１２６８号公報
【特許文献２】特開２００２−１４２３５３号公報
【特許文献３】米国特許第７６７１５６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
汎用的な電池を多数配列して電池モジュールを構成する場合、所定の電圧及び電流を出力するために、複数の電池を並列に接続して組電池を構成し、この組電池を複数個直列に接続する構成が取られる。【００１１】
例えば、特許文献３に記載された組電池を複数個直列に接続して電池モジュールを構成した場合、電池毎にヒューズリンクが設けられているため、どの電池に異常が発生しても、異常電池を含む直列接続された電池群を、確実に切り離すことができる。【００１２】
しかしながら、直列接続された電池群には、各電池にヒューズリンクによる直列抵抗が入るため、電池モジュールの性能が低下するという問題がある。また、電池と同じ数のヒューズリンクを設ける必要があるため、部品点数が増加してしまうという問題もある。【００１３】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、複数の電池がマトリクス状に配列された電池モジュールにおいて、電池モジュールを構成する電池に異常が発生しても、異常電池を含む直列接続された電池群を確実に他の電池群から切り離すことができ、かつ、電池モジュール全体の性能低下を抑制した、安全性の高い電池モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明は、複数の素電池を直列に接続して構成した直列ブロックを、複数個並列接続した電池モジュールにおいて、並列方向に配列された素電池をヒューズリンクを介して並列に接続するとともに、直列ブロックの一端にヒューズリンクを接続した構成を採用し、電池モジュールを構成する電池に異常が発生したときでも、異常電池を含む直列ブロックを確実に切り離すことのできる素電池の配列数を規定したものである。【００１５】
すなわち、本発明に係る電池モジュールは、複数の素電池がマトリクス状に配列された電池モジュールであって、ｍ個の素電池が列方向に直列に接続されて直列ブロックが構成され、直列ブロックは、行方向にｎ個配列され、かつ、行方向に隣接する素電池は、それぞれ第１のヒューズリンクを介して並列に接続されており、各直列ブロックの一端にある素電池は、第２のヒューズリンクを介して共通の入出力端子に接続されており、列方向に配列された素電池の個数ｍと、行方向に配列された直列ブッロクの個数ｎは、以下の式（１）及び（２）を満たす。【００１６】
【数１】
2012014350.tif 000003
【００１７】
【数２】
2012014350.tif 000004
【００１８】
ただし、Ｖｃは素電池の起電圧、Ｒｃは素電池の内部抵抗、Ｒｆ１は第１のヒューズリンクの抵抗、Ｉｆ１は第１のヒューズリンクの溶断電流、Ｉｆ２は第２のヒューズリンクの溶断電流である。【００１９】
このような構成により、式（１）、（２）を満たす（ｍ個×ｎ個）のマトリクス状に配列した電池モジュールにおいて、電池モジュールを構成する素電池に異常が発生したとき、当該異常電池を含む直列ブロックを、電池モジュールから確実に切り離すことができる。また、直列ブロックには、複数のヒューズリンクによる直列抵抗が入らないため、電池モジュールの性能低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、複数の素電池がマトリクス状に配列された電池モジュールにおいて、電池モジュールを構成する素電池に異常が発生しても、当該異常電池を含む直列接続された電池群（直列ブロック）を、電池モジュールから確実に切り離すことができ、かつ、電池モジュール全体の性能低下を抑制した、安全性の高い電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態における電池モジュールの構成を模式的に示した等価回路図である。
【図２】図１に示した電池モジュールにおいて、素電池を、起電圧Ｖｃと内部抵抗Ｒｃで表示した等価回路図である。
【図３】図１に示した電池モジュールにおいて、素電池を、起電圧Ｖｃと内部抵抗Ｒｃで表示した等価回路図である。
【図４】第１の実施形態における電池モジュールの構成を示した斜視図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、図４に示した電池モジュールの部分拡大図である。
【図６】シミュレーションに用いた電池モジュールの構成を示した等価回路図である。
【図７】第１のヒューズリンクに流れる電流値のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態における電池モジュールの構成を模式的に示した等価回路図である。
【図９】本発明の第３の実施形態における電池モジュール１２０の構成を模式的に示した等価回路図である。
【図１０】第３の実施形態における電池モジュールの構成を示した斜視図である。
【図１１】（ａ）、（ｂ）は、図１０に示した電池モジュールの部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における電池モジュール１００の構成を模式的に示した等価回路図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態における電池モジュール１００は、当該電池モジュール１００を構成する複数の電池（以下、単に、「素電池」という。）がマトリクス状に配列されている。なお、本発明における素電池１０は、充放電可能な二次電池であれば、特にその種類は制限されず、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等を使用することができる。また、二次電池は、ノート型パソコン等の携帯用電子機器の電源として単体でも使用できる電池であってもよい。この場合、高性能の汎用電池を、電池モジュールの素電池として使用することができるため、電池モジュールの高性能化、低コスト化をより容易に図ることができる。
【００２５】
本実施形態における電池モジュール１００において、ｍ個の素電池１０が列方向（Ｙ方向）に直列に接続されて直列ブロック２０が構成されている。そして、この直列ブロック２０は、行方向（Ｘ方向）にｎ個配列され、かつ、行方向に隣接する素電池１０は、それぞれ第１のヒューズリンク３０を介して並列に接続されている。さらに、各直列ブロック２０の一端にある素電池１０は、第２のヒューズリンク４０を介して共通の入出力端子５０に接続されている。本実施形態では、直列ブロック２０の一端にある素電池１０の正極端子が、第２のヒューズリンク４０を介して入出力端子（正極入出力端子）５０に接続され、直列ブロック２０の他端にある素電池１０の負極端子が、負極入出力端子５１に接続されている。
【００２６】
なお、本実施形態では、直列ブロック２０の一端にある素電池１０の正極端子側に第２のヒューズリンク４０を配置したが、直列ブロック２０の他端にある素電池１０の負極端子側に第２のヒューズリンク４０を配置してもよい。また、行方向（Ｘ方向）及び列方向（Ｙ方向）は、素電池１０が並列接続された方向、及び素電池１０が直列接続された方向を便宜的に定めたもので、それ以外の意味をなすものではない。
【００２７】
また、本発明における「ヒューズリンク（fusible link)」とは、所定電流の電流値で溶断されるヒューズ機能を備えた接続手段を意味し、その具体的な構成は特に制限されない。
【００２８】
また、本発明における電池モジュールは、ｍ個の素電池１０が列方向に直列に接続された直列ブロック２０が、行方向にｎ個配列された構成をなすが、これを、素電池１０の配列から見れば、（ｍ個×ｎ個）の素電池１０がマトリクス状に配列された構成となる。
【００２９】
電池モジュール１００を構成する素電池１０に内部短絡等の異常が発生したとき、異常電池を含む直列接続された直列ブロック２０を、他の直列ブロック２０から確実に切り離すことが必要であるが、そのためには、直列ブロック２０に接続された第２のヒューズリンク４０を溶断するだけでなく、隣接する直列ブロック２０の各素電池１０に接続された第１のヒューズリンク３０を全て溶断する必要がある。
【００３０】
ところで、第１及び第２のヒューズリンク３０、４０は、素電池１０に異常が発生したとき、第１及び第２のヒューズリンク３０、４０に流れる短絡電流によって溶断されるように、その溶断電流の値が設定される。例えば、特許文献３に記載されているように、ヒューズリンクを素電池１０毎に直列に接続した電池モジュールの場合には、ヒューズリンクの溶断電流を、素電池１０の短絡電流の値に設定すればよい。
【００３１】
しかしながら、本発明のように、各直列ブロック２０に１個のヒューズリンク４０を設けた構成の電池モジュール１００においては、並列に接続された素電池１０間に配された第１のヒューズリンク３０に流れる短絡電流は、異常が発生した素電池１０に対して、マトリクス状のどの位置にあるかによって異なる。そのため、第１及び第２のヒューズリンク３０、４０の溶断電流を、単純に素電池１０の短絡電流の値に設定することはできない。従って、このような場合には、電池モジュール１００を構成する回路において、通常動作時に流れる電流を考慮して、例えば、第１及び第２のヒューズリンク３０、４０の溶断電流を、電池モジュール１００で使用する最大電流値を、並列に配列された素電池１０の配列数で割った値の２〜３倍程度に設定すればよい。
【００３２】
しかしながら、素電池１０をマトリクス状に配列した電池モジュール１００において、行方向（Ｘ方向）及び列方向（Ｙ方向）に配列する素電池１０の配列数（ｍ個×ｎ個）を考慮せずに、一定の溶断電流に設定された第１及び第２のヒューズリンク３０、４０（通常動作時には溶断しない）を配置したとき、異常の発生した素電池１０から離れて配置された第１及び第２のヒューズリンク３０、４０に流れる短絡電流が、設定された溶断電流に到達しない可能性もある。
【００３３】
そこで、本発明は、一定の溶断電流に設定された第１及び第２のヒューズリンク３０、４０が配された電池モジュール１００において、異常の発生した素電池１０を含む直列接続された直列ブロック２０を、他の直列ブロック２０から確実に切り離すために必要な、行方向及び列方向に配列する素電池１０の配列数（ｍ個×ｎ個）の条件を与えるものである。
【００３４】
以下、その条件を、図２及び図３を参照しながら説明する。ここで、図２及び図３は、図１に示した構成の電池モジュール１００において、直列ブロック２０を構成する各素電池１０を、起電圧Ｖｃと内部抵抗Ｒｃで表示したものである。
【００３５】
まず、図２に示すように、直列ブロック２０Ａにおける一端にある素電池１０Ａに異常が発生した場合を考える。このとき、直列ブロック２０Ａに対して、行方向（Ｘ方向）に並列に接続された他の直列ブロック２０において、素電池１０間を接続する第１のヒューズリンク３０に流れる短絡電流は、並列数が増えるに従って増加する。逆に言うと、直列ブロック２０Ａと、それに隣接する直列ブロック２０Ｂとの間に配置された第１のヒューズリンク３０に流れる短絡電流が最も小さい。さらに、直列ブロック２０Ａと直列ブロック２０Ｂとの間に配置された複数の第１のヒューズリンク３０のうち、異常が発生した素電池１０Ａから最も離れた第１のヒューズリンク３０Ａに流れる短絡電流が最も小さい。従って、異常が発生した素電池１０Ａから最も離れた第１のヒューズリンク３０Ａが短絡電流で溶断されれば、列方向に配列された他の第１のヒューズリンク３０は全て溶断される。これにより、異常の発生した素電池１０を含む直列ブロック２０Ａは、隣接する直列ブロック２０Ｂから確実に切り離される。
【００３６】
そこで、異常が発生した素電池１０Ａから最も離れた第１のヒューズリンク３０Ａに流れる短絡電流をＩm-1とすると、第１のヒューズリンク３０Ａ以外の列方向に配列された
第１のヒューズリンク３０が全て溶断されているとすると、直列ブロック２０Ａと直列ブロック２０Ｂで構成される回路において、以下の式（Ａ）が成り立つ。
【００３７】
Ｖｃ＝Ｉm-1(ｍ−１)Ｒｃ＋Ｉm-1Ｒｆ１＋Ｉm-1(ｍ−２)Ｒｃ・・・(Ａ)
ここで、直列ブロック２０Ａには、正常な素電池１０が（ｍ−２）個、直列ブロック２０Ｂには、正常な素電池１０が（ｍ−１）個あり、第１のヒューズリンク３０の抵抗をＲｆ１とし、回路中の電位差を、異常の発生した素電池１０Ａの起電圧Ｖｃ（素電池１０Ａの内部抵抗をゼロと近似した）とした。
【００３８】
上記式（Ａ）から、第１のヒューズリンク３０Ａに流れる短絡電流Ｉm-1は、以下の式（Ｂ）で表される。
【００３９】
Ｉm-1＝Ｖｃ／［(２ｍ−３)Ｒｃ＋Ｒｆ１］・・・（Ｂ）
従って、第１のヒューズリンク３０の溶断電流をＩｆ１とすると、第１のヒューズリンク３０Ａが短絡電流で溶断されるためには、以下の式（Ｃ）を満たす必要がある。
【００４０】
Ｉm-1＝Ｖｃ／［(２ｍ−３)Ｒｃ＋Ｒｆ１］＞Ｉｆ１・・・（Ｃ）
この式（Ｃ）を、ｍに関して展開すると、下記の式（１）となる。
【００４１】
【数１】
2012014350.tif 000005
【００４２】
すなわち、行方向に並列接続された直列ブロック２０において、隣接する素電池１０間を接続する第１のヒューズリンク３０の抵抗をＲｃ、溶断電流をＩｆ１としたとき、直列ブロック２０の列方向に直列に接続する素電池１０の個数ｍを、上記式（１）を満たすように設定すれば、異常の発生した素電池１０を含む直列ブロックを、隣接する直列ブロックから確実に切り離すことができる。なお、上記式（１）から分かるように、直列ブロック２０において、直列接続できる素電池１０の個数ｍの上限は、行方向に並列接続する直列ブロック２０の個数ｎに依存しない。
【００４３】
次に、図３に示すように、上記式（１）を満たすｍ個の素電池１０が直列に接続された直列ブロック２０Ａが、隣接する直列ブロック２０Ｂから確実に切り離されたとき、さらに、直列ブロック２０Ａに接続された第２のヒューズリンク４０Ａが溶断されて、直列ブロック２０Ａが、入出力端子５０から確実に切り離される条件を求める。
【００４４】
図３に示すように、異常の発生した素電池１０Ａを含む直列ブロック２０Ａに流れる電流（すなわち、第２のヒューズリンク４０Ａを流れる電流）をＩとしたとき、直列ブロック２０Ａ以外の（ｎ−１）個の直列ブロック２０には、素電池１０の起電圧、内部抵抗が全て同じあるので、直列ブロック２０Ａを流れる電流Ｉを均等に分けたＩ／（ｎ−１）の電流が流れる。
【００４５】
そこで、正常な素電池１０を（ｍ−１）個含む直列ブロック２０Ａと、正常な素電池１０をｍ個含む他の直列ブロック２０Ｂとで構成される回路において、直列ブロック２０Ａと他の直列ブロック２０Ｂとの電位差は、異常が発生した素電池１０Ａの１個分の起電圧Ｖｃであるため、以下の式（Ｄ）が成り立つ。
【００４６】
Ｖｃ＝Ｉ(ｍ−１)Ｒｃ＋Ｉ／(ｎ−１)ｍＲｃ・・・（Ｄ）
上記式（Ｄ）から、第２のヒューズリンク４０Ａに流れる短絡電流Ｉは、下記の式（Ｅ）で表される。
【００４７】
Ｉ＝Ｖｃ／Ｒｃ［(ｍ−１)＋ｍ／(ｎ−１)］・・・(Ｅ)
従って、第２のヒューズリンク４０の溶断電流をＩｆ２とすると、第２のヒューズリンク４０Ａが短絡電流で溶断されるためには、以下の式（Ｆ）を満たす必要がある。
【００４８】
Ｉ＝Ｖｃ／Ｒｃ［(ｍ−１)＋ｍ／(ｎ−１)］＞Ｉｆ２・・・(Ｆ)
この式（Ｆ）を、ｎに関して展開すると、以下の式（２）となる。
【００４９】
【数２】
2012014350.tif 000006
【００５０】
すなわち、上記式（１）を満たすｍ個の素電池１０が直列に接続された直列ブロック２０において、一端にある素電池１０と入出力端子５０間を接続する第２のヒューズリンク４０の溶断電流をＩｆ２としたとき、行方向に並列に接続する直列ブロック２０の個数ｎを、上記式（２）を満たすように設定すれば、異常の発生した素電池１０を含む直列ブロック２０を、入出力端子５０から確実に切り離すことができる。
【００５１】
以上、説明したように、本実施形態における電池モジュール１００は、ｍ個の素電池１０が列方向に直列に接続されて直列ブロック２０が構成され、直列ブロック２０は、行方向にｎ個配列され、かつ、行方向に隣接する素電池１０は、それぞれ第１のヒューズリンク３０を介して並列に接続されており、各直列ブロック２０の一端にある素電池１０は、第２のヒューズリンク４０を介して共通の入出力端子５０に接続されており、列方向に配列された素電池１０の個数ｍと、行方向に配列された直列ブロック２０の個数ｎは、以下の式（１）及び（２）を満たすものである。
【００５２】
【数１】
2012014350.tif 000007
【００５３】
【数２】
2012014350.tif 000008
【００５４】
ただし、Ｖｃは素電池の起電圧、Ｒｃは素電池の内部抵抗、Ｒｆ１は第１のヒューズリンクの抵抗、Ｉｆ１は第１のヒューズリンクの溶断電流、Ｉｆ２は第２のヒューズリンクの溶断電流である。
【００５５】
マトリクス状に配列された素電池１０の配列数（ｍ個×ｎ個）を、上記式（１）、（２）の条件を満たすように、電池モジュール１００を構成することによって、異常の発生した素電池１０を含む直列接続された直列ブロック２０を、電池モジュール１００から確実に切り離すことができる。これにより、正常な直列ブロック２０の並列接続を維持しつつ、電池モジュール１００を安全に使用することができる。
【００５６】
ところで、本実施形態において、マトリクス状に配列された素電池１０の個数（ｍ個×ｎ個）は、上記式（１）、（２）の条件を満たすように設定されるが、ｍ、ｎが大きい場合（例えば、ｍ≧１０、ｎ≧１０の場合）、上記式（１）、（２）を導出する過程で、ｍ−１≒ｍ、ｎ−１≒ｎと近似することができる。この場合、上記式（１）、（２）は、以下の式（３）、（４）で近似される。
【００５７】
【数３】
2012014350.tif 000009
【００５８】
【数４】
2012014350.tif 000010
【００５９】
ただし、Ｖｃは素電池の起電圧、Ｒｃは素電池の内部抵抗、Ｒｆ１は第１のヒューズリンクの抵抗、Ｉｆ１は第１のヒューズリンクの溶断電流、Ｉｆ２は第２のヒューズリンクの溶断電流である。
【００６０】
次に、図４及び図５を参照しながら、本実施形態における電池モジュール１００の具体的な構成を説明する。ここで、図４は、本実施形態における電池モジュール１００の構成を示した斜視図で、図５（ａ）、（ｂ）は、図４に示した電池モジュール１００の部分拡大図である。
【００６１】
図４に示すように、電池モジュール１００は、複数の素電池１０がマトリクス状に配列されている。なお、本実施形態では、素電池１０が、行方向（Ｘ方向）に２０個、列方向（Ｙ方向）に７個配列された例を示すが、勿論、マトリクス状に配列される素電池１０の数に制限はない。
【００６２】
列方向（Ｙ方向）に隣接する素電池１０間を直列接続する接続体８０は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、素電池１０の底面にある負極端子（例えば、電池ケースの底面）に接続された部位８０ａと、そこから素電池１０の側面に沿って素電池１０の上面まで延出した部位８０ｂと、そこから隣接する素電池１０の上面まで延出されて、隣接する素電池１０の正極端子（例えば、電池ケースの封口板に設けられた突出部）接続された部位８０ｃからなる。
【００６３】
また、行方向（Ｘ方向）に配列された素電池１０を並列接続する接続体３１は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、列方向に隣接する素電池１０間を接続する接続体８０の部位８０ｃに、それぞれ接続されている。なお、行方向に隣接する素電池１０間を並列接続する接続体３１の中間には、第１のヒューズリンク３０が挿入されている。ここで、第１のヒューズリンク３０は、例えば、チップヒューズで構成することができる。
【００６４】
また、図４に示すように、列方向（Ｙ方向）に配列した素電池１０の両端にある素電池１０は、それぞれ正極入出力端子（例えば、正極バスバー）５０、負極入出力端子（例えば、負極バスバー）５１に接続されている。さらに、図５（ａ）に示すように、正極入出力端子５０側に配列した素電池１０上には、回路基板７０が配設されており、この回路基板７０上には、素電池１０と正極入出力端子５０との間に挿入される第２のヒューズリンク４０が搭載されている。なお、回路基板７０には、第２のヒューズリンク４０以外に、例えば、電池モジュール１００の充放電や、素電池１０の電圧、温度等を検出して制御する制御回路等が搭載されていてもよい。
【００６５】
次に、図６及び図７を参照しながら、本実施形態における電池モジュ−ルにおいて、各第１のヒューズリンク３０に流れる電流値をシミュレーションにより求めた結果を説明する。ここで、図６は、シミュレーションに用いた電池モジュールの構成を示した等価回路図で、３個（ｍ＝３）の素電池１０を直列に接続して構成した直列ブロック２０が、１０個（ｎ＝１０）並列に接続された構成からなす。また、第１のヒューズリンク３０に流れる電流値のシミュレーションは、図６に示した等価回路図において、素電池１０を直流電圧源と内部抵抗で模擬し、ヒューズリンク３０を抵抗として回路を構成し、内部短絡が発生した素電池１０に対して、当該素電池を含む短絡回路を回路上に作成した状態で、電子回路シミュレータ（ＱＵＣＳ）を使用して、各ヒューズリンク３０に流れる電流値の計算を行った。
【００６６】
まず、異常の発生した素電池１０Ａを含む直列ブロック２０Ａに隣接する第１のヒューズリンク３０を全て溶断するための最低の電流値Ｉ１を求める。ここで、電流値Ｉ１は、異常の発生した素電池１０Ａから最も離れた第１のヒューズリンク３０Ａに流れる短絡電流の値である。
【００６７】
図７に、第１のヒューズリンク３０の抵抗Ｒｆ１を変えたときの電流値Ｉ１のシミュレーション結果（曲線Ｉ１）を示す。なお、素電池１０の起電圧Ｖｃを４Ｖ、内部抵抗Ｒｃを５０ｍΩ、内部短絡が発生した素電池１０の内部抵抗を０Ωとして計算した。図７に示すように、第１のヒューズリンク３０の抵抗Ｒｆ１を大きくすると、電流値Ｉ１は減少する。第１のヒューズリンク３０の溶断電流を、図７に示した曲線Ｉ１よりも小さい値に設
定することによって、直列ブロック２０Ａを、隣接する直列ブロック２０Ｂから確実に切り離すことができる。
【００６８】
次に、異常の発生した素電池１０Ａを含む直列ブロック２０Ａに隣接する直列ブロック２０Ｂに接続された第１のヒューズリンク３０が溶断されない最大の電流値Ｉ２を求める。ここで、Ｉ２は、異常の発生した素電池１０Ａから最も近い第１のヒューズリンク３０Ｂに流れる短絡電流の値である。
【００６９】
図７に、第１のヒューズリンク３０の抵抗Ｒｆ１を変えたときの電流値Ｉ２のシミュレーション結果（曲線Ｉ２）を示す。図７に示すように、第１のヒューズリンク３０の抵抗Ｒｆ１を大きくすると、電流値Ｉ２は大きく減少する。第１のヒューズリンク３０の溶断電流を、図７に示した曲線Ｉ２よりも大きな値に設定することによって、正常な直列ブロック２０間を並列接続する第１のヒューズリンク３０が溶断されるのを防止することができる。従って、異常の発生した素電池１０Ａを含む直列ブロック２０Ａを、隣接する直列ブロック２０Ｂから確実に切り離すとともに、隣接する直列ブロック２０Ｂを含む他の直列ブロック２０間で並列接続を維持するためには、第１のヒューズリンク３０の溶断電流を、図７に示した斜線の範囲Ａの電流値に設定することが好ましい。このような電流値を満たす範囲Ａは、第１のヒューズリンク３０の抵抗Ｒｆ１が６０ｍΩ以上のときであり、従って、第１のヒューズリンク３０の抵抗Ｒｆ１は、素電池１０の内部抵抗Ｒｃ（５０ｍΩ）よりも大きくすることが好ましい。
【００７０】
次に、通常動作時における第１のヒューズリンク３０間に流れる電流値のうち、素電池１０間に最大電位差０．５Ｖが生じたときに流れる最大電流Ｉ３を求めた。なお、通常の素電池１０間の電位差のバラツキは、０．０２〜０．０４Ｖ程度である。
【００７１】
図７に、第１のヒューズリンク３０の抵抗Ｒｆ１を変えたときの電流値Ｉ３のシミュレーション結果（曲線Ｉ３）を示す。図７に示すように、第１のヒューズリンク３０の抵抗Ｒｆ１を変えても、電流値Ｉ３はほとんど変わらない。第１のヒューズリンク３０の溶断電流を、図７に示した曲線Ｉ３よりも大きな値に設定することによって、並列接続する素電池１０間に均等化電流が流れても、第１のヒューズリンク３０は溶断されないため、電池モジュールの充放電を繰り返しても、サイクル特性の低下を抑制することができる。
【００７２】
（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態における電池モジュール１１０の構成を模式的に示した等価回路図である。
【００７３】
第１の実施形態で示した電池モジュール１００において、異常の発生した素電池１０を含む直列ブロック２０Ａを、隣接する直列ブロック２０Ｂ及び入出力端子５０から確実に切り離すためには、列方向に配列された素電池１０の個数ｍと、行方向に配列された直列ブロック２０の個数ｎを、上記式（１）及び（２）の条件を満たす個数（ｍ、ｎ）に設定する必要がある。
【００７４】
勿論、式（１）、（２）によって設定された個数（ｍ、ｎ）は、電池モジュール１００に使用する素電池１０の内部抵抗Ｒｃや、第１のヒューズリンク３０の抵抗Ｒｆ１等で変わるが、場合によっては、電池モジュールの仕様を満たすために必要な個数（ｍ、ｎ）が設定できない場合もあり得る。
【００７５】
本実施形態は、このような場合にも、異常の発生した素電池１０を含む直列ブロック２０Ａを確実に切り離すことのできる電池モジュール１１０の構成を提案するものである。
【００７６】
図８に示すように、本実施形態における電池モジュール１１０は、（ｍ個×ｎ個）の素電池１０が直並列に接続されて構成された電池ブロック６０が、列方向に複数個（図８では３個）直列に接続されており、入出力端子５０に接続された電池ブロック６０を除く他の電池ブロック６０において、電池ブロック６０の列方向一端にある各素電池１０は、第２のヒューズリンク４０を介して共通のブロック接続体５２に接続されている。
【００７７】
このように構成された電池モジュール１１０では、ある電池ブロック６０内の素電池１０に異常が発生した場合、異常電池を含む直列ブロック２０は、当該電池ブロック６０から確実に切り離される一方、他の電池ブロック６０における（ｍ個×ｎ個）の素電池１０は全て直並列の接続を維持することができる。これにより、実質的な素電池１０の個数を増やした電池モジュール１１０を実現することができる。
【００７８】
（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態における電池モジュール１２０の構成を模式的に示した等価回路図である。
【００７９】
第１の実施形態では、第１のヒューズリンク３０として、例えば、チップヒューズ等で構成することができるが、本実施形態では、図９に示すように、行方向（Ｘ方向）に配列された素電池１０を、第１の導電体３５よって並列接続し、この第１の導電体３５を第１のヒューズリンク３０として構成したものである。
【００８０】
すなわち、本実施形態においては、第１の導電体３５は、素電池１０に内部短絡が発生したとき、第１の導電体３５を介して、内部短絡が発生した素電池１０に流れる短絡電流によるジュール熱によって溶断される。
【００８１】
なお、列方向（Ｙ方向）に配列された素電池１０は、列方向に隣接する素電池１０間が第２の導電体９０によってそれぞれ直列接続されており、第１の導電体３５は、列方向に隣接する素電池１０間を接続する各第２の導電体９０に、それぞれ接続されている。
【００８２】
ここで、第１の導電体３５が、一様な断面積（Ａ）を有する金属部材で構成されているとした場合、第１の導電体３５に電流（Ｉ）が流れたときの、時間ｔ後のジュール熱（Ｅ）による温度上昇ΔＴは、以下の式（Ｘ）から算出される。
【００８３】
ΔＴ＝Ｅ／（Ｃｐ・Ｍ）
＝(Ｉ２・Ｒ・ｔ)／(Ｃｐ・ρ・Ａ・Ｌ)
＝(Ｉ２・ｒ・Ｌ／Ａ・ｔ)／(Ｃｐ・ρ・Ａ・Ｌ)
＝(Ｉ２・ｒ・ｔ)／(Ｃｐ・ρ・Ａ２)・・・(Ｘ)
ここで、Ｃｐは比熱容量、Ｍは質量、Ｒは抵抗、ρは密度、Ｌは長さ、ｒは電気抵抗率である。
【００８４】
上記の式（Ｘ）から、物性的には、比熱容量（Ｃｐ）と密度（ρ）が小さく、電気抵抗率（ｒ）が大きい材料ほど、また、形状的には、断面積（Ａ）が小さいほど、温度上昇ΔＴが大きくなる。なお、放熱が無視できる程度に小さければ、温度上昇ΔＴは、第１の導電体３５の長さ（Ｌ）に依存しないことが分かる。
【００８５】
表１は、第１の導電体３５の金属部材として、融点の低いアルミニウム、亜鉛、スズを用いた場合の、第１の導電体３５に電流（Ｉ）が流れたときの、時間ｔ後のジュール熱（Ｅ）による温度上昇ΔＴを求めた結果を示した表である。
【００８６】
【表１】
2012014350.tif 000011
【００８７】
表１に示すように、例えば、第１の導電体３５の金属部材として、アルミニウムを用いた場合、断面積（Ａ）が０．１ｍｍ２の場合、内部短絡時を想定した電流（Ｉ＝３０Ａ）での温度上昇ΔＴは、アルミニウムの融点（６６０℃）を超える９８１℃となった。すなわち、このような断面積を有する第１の導電体３５は、内部短絡が発生すると、１秒以内に溶断すると考えられる。従って、このような断面積を有するアルミニウムを第１の導電体３５に用いることによって、通常動作時は、行方向に配列された素電池１０を並列接続する機能を維持しつつ、内部短絡時には、ヒューズとしての機能を持たせることができる。すなわち、このような断面積を有するアルミニウムを第１の導電体３５に用いることによって、溶断電流Ｉｆ１が３０Ａの第１のヒューズリンクを構成することができる。なお、素電池１０間を接続する第１の導電体３５の距離（Ｌ）を１５ｍｍとすると、第１のヒューズリンクの抵抗Ｒｆ１は、約５ｍΩとなるが、放電時に行方向に流れる電流は０．１Ａ以下と小さいため、第１のヒューズリンクに電流が流れることによる電圧降下は０．５ｍＶ程度と非常に小さいため、電池モジュールの特性にはほとんど影響はない。
【００８８】
また、表１に示すように、第１の導電体３５の金属部材として、アルミニウム以外に、亜鉛、スズを用いても、溶断電流が２０〜３０Ａ、抵抗が５〜１０ｍΩの第１のヒューズリンクを構成することができる。
【００８９】
次に、図１０及び図１１を参照しながら、本実施形態における電池モジュール１２０の具体的な構成を説明する。ここで、図１０は、本実施形態における電池モジュール１２０の構成を示した斜視図で、図１１（ａ）、（ｂ）は、図１０に示した電池モジュール１２０の部分拡大図である。
【００９０】
図１０に示すように、本実施形態における電池モジュール１２０は、図４と同様に、複数の素電池１０が格子状に配列されている。なお、本実施形態では、素電池１０の電池ケースの外周は絶縁されておらず、素電池１０の負極端子は、正極端子と同じ素電池１０の上面から取ることができる。
【００９１】
列方向（Ｙ方向）に隣接する素電池１０間を直列接続する第２の導電体９０は、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、素電池１０の上面にある負極端子に接続された部位９１と、そこから隣接する素電池１０の上面まで延出して正極端子に接続された部位９２からなる。なお、負極端子に接続された部位９０は、素電池１０の上面の外周に沿ってリング状に形成されている。また、行方向（Ｘ方向）に配列された素電池１０を並列接続する第１の導電体３５は、列方向に隣接する素電池１０間を接続する各第２の導電体９０にそれぞれ接続されている。なお、第１の導電体３５が、金属細線または金属リボンで構成されている場合、金属細線または金属リボンは、ワイヤーボンディングにより、第２の導電体９０にそれぞれ接続することができる。
【００９２】
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、第２の本実施形態において、（ｍ個×ｎ個）の素電池１０が直並列に接続されて構成された電池ブロック６０を、列方向に複数個直列に接続したが、当該電池ブッロク６０を、行方向に複数個並列に接続してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、自動車、電動バイク又は電動遊具等の駆動用電源として有用である。
【符号の説明】
【００９４】
１０      素電池 
２０      直列ブロック 
３０      第１のヒューズリンク 
３１      接続体
３５      第１の導電体（第１のヒューズリンク）
４０      第２のヒューズリンク 
５０      入出力端子（正極入出力端子）
５１      負極入出力端子 
５２      ブロック接続体 
６０      電池ブロック 
７０      回路基板 
８０      接続体 
９０      第２の導電体 
１００、１１０、１２０      電池モジュール
【図１】
2012014350.tif 000016
【図２】
2012014350.tif 000017
【図３】
2012014350.tif 000018
【図６】
2012014350.tif 000019
【図７】
2012014350.tif 000020
【図８】
2012014350.tif 000021
【図９】
2012014350.tif 000022
【図４】
2012014350.tif 000023
【図５】
2012014350.tif 000024
【図１０】
2012014350.tif 000025
【図１１】
2012014350.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成24年2月3日(2012.2.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
まず、図２に示すように、直列ブロック２０Ａにおける一端にある素電池１０Ａに異常が発生した場合を考える。このとき、直列ブロック２０Ａに対して、行方向（Ｘ方向）に並列に接続された他の直列ブロック２０において、素電池１０間を接続する第１のヒューズリンク３０に流れる短絡電流は、並列数が増えるに従って増加する。さらに、直列ブロック２０Ａと直列ブロック２０Ｂとの間に配置された複数の第１のヒューズリンク３０のうち、異常が発生した素電池１０Ａから最も離れた第１のヒューズリンク３０Ａに流れる短絡電流が最も小さい。従って、異常が発生した素電池１０Ａから最も離れた第１のヒューズリンク３０Ａが短絡電流で溶断されれば、列方向に配列された他の第１のヒューズリンク３０は全て溶断される。これにより、異常の発生した素電池１０を含む直列ブロック２０Ａは、隣接する直列ブロック２０Ｂから確実に切り離される。
【国際調査報告】
2012014350.tif 000027
2012014350.tif 000028
2012014350.tif 000029
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